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对肿瘤细胞的生长过程进行实时长效示踪有利于提高癌症的诊疗效果,其技术关键是开发高性能的荧光探针。现有该类探针存在荧光量子效率低,斯托克斯(Stokes)位移小,光学稳定性差,易发生聚集诱导淬灭效应,对细胞毒性大及细胞穿透性差等缺陷,在生物应用领域受到较大限制。鉴此,本论文设计合成了系列基于苯并噻二唑及四苯基乙烯类荧光衍生物,研究了取代基效应及分子结构对荧光探针光物理与识别性能的影响规律,并将其应用于生物大分子检测、体外活细胞成像、体外细胞增殖示踪及体内原位肿瘤生长示踪等研究。(1)首先设计合成了一种双阳离子型苯并噻二唑类荧光探针(PPB),通过核磁、高分辨质谱、红外光谱和元素分析等表征其结构。研究了PPB的光物理性能,发现PPB具有较大的斯托克斯位移(155 nm),能够有效的规避背景荧光的干扰,增强检测区域的对比度。PPB还具有较高的荧光量子效率、优异的光稳定性和较低的细胞毒性。将其应用于体内外实时长效示踪时,发现PPB能够有效示踪HeLa细胞增殖至16代以上,且细胞能够保持正常形态及健康生长。体内原位肿瘤生长示踪研究结果表明,PPB能够示踪肿瘤生长至27天以上。离体组织荧光成像及H&E切片染色结果进一步表明,PPB具有优越的生物相容性。因此,PPB有望应用于疾病诊断及术中治疗导航。(2)针对荧光探针PPB仍处于黄光发射等不足,引入呋喃等富电子基团改性苯并噻二唑,制备出一种对核糖核苷酸(RNA)具有高选择性的双阳离子型红光发射(605 nm)苯并噻二唑类荧光探针(PFB),并应用于体内外实时长效示踪研究。发现PFB在与RNA作用后,具有更高的荧光响应,其荧光强度增强9.1倍;HepG-2肝癌细胞染色结果表明,PFB具有较低的生理毒性及光稳定性,同时荧光探针PFB能够有效穿过细胞膜,对活细胞特异性标记。体外细胞传代结果表明,荧光探针PFB能够有效示踪HepG-2肝癌细胞增殖至11代以上,且细胞保持正常形态与健康生长。体内肿瘤生长示踪结果表明,荧光探针PFB能够原位监测肿瘤生长至18天以上。PFB有望在基因表达、疾病诊断(如miRNA参与的生理过程)及术中治疗导航等领域获得广泛应用。(3)在苯并噻二唑衍生物中引入噻吩基团,制备出一种远红光发射(625 nm)的双阳离子型苯并噻二唑类荧光探针(PTB),并实现脱氧核糖核苷酸(DNA)的特异性识别、活细胞细胞核靶向标记及体内外实时长效示踪。研究发现PTB与DNA作用后,其荧光增强73.8倍。同时,PTB具有较大的斯托克斯位移(110 nm)、较低的生理毒性及优越的光稳定性。活细胞标记结果表明,荧光探针PTB能够有效穿过细胞核核膜,对细胞核特异性染色。体外活细胞增殖研究结果表明,荧光探针PTB能够示踪HepG-2肝癌细胞持续增殖至11代以上。体内原位肿瘤生长示踪结果表明,荧光探针PTB能够有效监测肿瘤生长21天以上。另外,通过离体器官荧光成像、H&E组织切片染色及组织切片免疫荧光成像进一步说明荧光探针PTB具有优异的生理学特性。因此,PTB有望为疾病在基因层面的复制、转录及表达过程实现前瞻性示踪,也可实现术中治疗导航应用。(4)针对四苯基乙烯衍生物大都处于蓝绿光发射的缺陷,采用强电子给体吩噻嗪(PTZ)修饰四苯基乙烯(TPE),制备出具有AIE效应的近红外荧光探针TPE-PTZ-R,然后用两亲性聚合物F-127包裹形成均一稳定的纳米颗粒,进一步增强了荧光探针TPE-PTZ-R的生物相容性及细胞摄入率,同时其荧光发射达到667 nm。以TPE-PTZ-R纳米粒子对HepG-2肝癌细胞成像结果表明,其显示出较高的生物相容性及优越的光稳定性。因此,荧光探针TPE-PTZ-R有望应用于生物领域的各方面研究。